JP2012104385A - Ceramic heater element manufacturing method and glow plug manufacturing method - Google Patents

Ceramic heater element manufacturing method and glow plug manufacturing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To dispense with a formed element body serving as a dummy for reducing influences of a reduction atmosphere in a ceramic heater element manufacturing method which involves calcining by a hot-press method a ceramic heater element having a heat generating resistor composed mainly of silicon nitride and tungsten carbide buried within an insulation base material made mainly of silicon nitride, thereby improving the productivity of ceramic heater elements.SOLUTION: A ceramic heater element manufacturing method involves calcining by a hot-press method a formed element body 18a having a base material part 21a which is composed mainly of silicon nitride powder and a resistor body forming part 22a, buried in the base material part, which is composed mainly of silicon nitride powder and tungsten carbide powder, to produce a ceramic heater element 18. The calcination includes an atmospheric pressurization process where, in a nitrogen atmosphere, the pressing pressure is made to be 20-40 MPa and the atmospheric pressure is made to be 0.2-1.0 MPa.

Description

本発明は、セラミックヒータ素子の製造方法およびグロープラグの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater element and a method for manufacturing a glow plug.

従来、ディーゼル機関の始動促進用のグロープラグ、バーナーの着火用ヒータ、あるいはガスセンサの加熱用ヒータ等にセラミックヒータ素子が使用されている。セラミックヒータ素子は、例えば窒化珪素からなる棒状の絶縁基体中に、窒化珪素および炭化タングステンからなる発熱抵抗体が埋設されたものである。このようなセラミックヒータ素子は、一般にホットプレス法により焼成されて製造されている。   Conventionally, ceramic heater elements are used for glow plugs for promoting start-up of diesel engines, ignition heaters for burners, heaters for heating gas sensors, and the like. In the ceramic heater element, a heating resistor made of silicon nitride and tungsten carbide is embedded in a rod-like insulating base made of, for example, silicon nitride. Such a ceramic heater element is generally manufactured by firing by a hot press method.

ホットプレス法による焼成には、例えば誘導加熱方式の焼成炉が用いられる。誘導加熱方式の焼成炉は、主として焼成室を形成する筒状のモールド、このモールド内に挿入されて加圧に用いられる一対のプレス棒、およびモールドの外側に配置されて加熱に利用されるコイル等を有している。このような焼成炉では、コイルからの高周波により主としてモールドの外側付近が加熱され、この熱が内側に伝わることで加熱が行われる。モールド、プレス棒等の焼成室を構成する部材は、高周波による加熱のために、また高温での強度を確保するために、黒鉛からなるものとされている。   For firing by the hot press method, for example, an induction heating type firing furnace is used. The induction heating type firing furnace mainly includes a cylindrical mold that forms a firing chamber, a pair of press rods that are inserted into the mold and used for pressurization, and a coil that is disposed outside the mold and used for heating. Etc. In such a firing furnace, the vicinity of the outside of the mold is mainly heated by the high frequency from the coil, and the heat is transmitted to the inside to perform the heating. Members constituting the firing chamber such as a mold and a press rod are made of graphite for heating by high frequency and for securing strength at high temperature.

このような焼成炉を用いたセラミックヒータ素子の製造では、まず焼成によりセラミックヒータ素子となる素子成形体をホットプレス用成形型で挟持して積層体とする。通常、積層体は複数のホットプレス用成形型が積層されてなり、各ホットプレス用成形型間に素子成形体が挟持される。また、ホットプレス用成形型は、略全面に凹部が列状に形成された波板状を有し、この凹部全体に素子成形体が敷き詰められるように配置される。   In the manufacture of a ceramic heater element using such a firing furnace, first, an element molded body that becomes a ceramic heater element by firing is sandwiched between hot pressing molds to form a laminate. Usually, a laminated body is formed by laminating a plurality of hot pressing molds, and an element molded body is sandwiched between the hot pressing molds. Further, the hot pressing mold has a corrugated plate shape in which concave portions are formed in a row on substantially the entire surface, and is arranged so that the element molded body is spread over the entire concave portion.

このような積層体は焼成室内に配置後、焼成炉に設けられたコイルにより加熱されるとともに、一対のプレス棒により加圧される。このような加熱および加圧により素子成形体が焼成されてセラミックヒータ素子とされる(例えば、特許文献1参照)。   Such a laminate is placed in the firing chamber, heated by a coil provided in the firing furnace, and pressed by a pair of press bars. The element molded body is fired by such heating and pressurization to form a ceramic heater element (see, for example, Patent Document 1).

特開2003−22889号公報JP 2003-22889 A

上記焼成炉においては、焼成室を構成するモールド等が黒鉛からなるために、その内部の雰囲気は強い還元雰囲気になりやすい。また、特にホットプレス用成形型の外周部付近に配置された素子成形体が、このような強い還元雰囲気に晒されやすい。素子成形体が窒化珪素粉末および炭化タングステン粉末からなる場合、焼成時の高温下で強い還元雰囲気に晒されることで、窒化珪素と炭化タングステンとが反応して脆弱な二珪化タングステンが生成され、結果としてセラミックヒータ素子の強度や通電耐久性が低下する。   In the firing furnace, since the mold or the like constituting the firing chamber is made of graphite, the atmosphere inside thereof tends to be a strong reducing atmosphere. In particular, the element molded body arranged in the vicinity of the outer periphery of the hot press mold is easily exposed to such a strong reducing atmosphere. When the element compact is made of silicon nitride powder and tungsten carbide powder, it is exposed to a strong reducing atmosphere at a high temperature during firing, and silicon nitride and tungsten carbide react to produce brittle tungsten disilicide. As a result, the strength and energization durability of the ceramic heater element are reduced.

このような理由から、従来、ホットプレス用成形型の外周部付近には窒化珪素のみからなるいわゆるダミーの素子成形体を配置し、中心部に配置した正規の素子成形体を保護するようにしている。しかしながら、ダミーの素子成形体を用いた場合、ホットプレス用成形型に配置できる正規の素子成形体の個数が少なくなり、結果として焼成により得られる正規のセラミックヒータ素子の個数が少なくなる。また、正規の素子成形体とは別にダミーの素子成形体を製造する必要があり、また焼成により得られるダミーのセラミックヒータ素子は廃棄する必要があるために、全体として製造工程数が多くなり、また原材料の有効利用の観点からも必ずしも好ましくない。   For this reason, conventionally, a so-called dummy element molded body made of only silicon nitride is disposed near the outer periphery of a hot press mold so as to protect the regular element molded body disposed at the center. Yes. However, when a dummy element molded body is used, the number of regular element molded bodies that can be arranged in the hot press mold is reduced, and as a result, the number of regular ceramic heater elements obtained by firing is reduced. In addition, it is necessary to manufacture a dummy element molded body separately from the regular element molded body, and since the dummy ceramic heater element obtained by firing needs to be discarded, the number of manufacturing processes increases as a whole, Moreover, it is not necessarily preferable from the viewpoint of effective utilization of raw materials.

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、ダミーの素子成形体を不要とし、セラミックヒータ素子の生産性を向上させることができる製造方法を提供することを目的としている。また、本発明は、このような製造方法により製造されるセラミックヒータ素子を用いることにより、グロープラグの生産性を向上させることができる製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a manufacturing method that eliminates the need for a dummy element molded body and can improve the productivity of ceramic heater elements. . It is another object of the present invention to provide a manufacturing method that can improve the productivity of glow plugs by using a ceramic heater element manufactured by such a manufacturing method.

本発明のセラミックヒータ素子の製造方法は、主として窒化珪素粉末からなる基体成形部と、この基体成形部に埋設され、主として窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末とからなる抵抗体成形部とを有する素子成形体をホットプレス法により焼成してセラミックヒータ素子とするセラミックヒータ素子の製造方法に関する。本発明のセラミックヒータ素子の製造方法は、上記焼成が、窒素雰囲気中、プレス圧力を20〜40MPa、雰囲気圧力を0.2〜1.0MPaとする雰囲気加圧工程を有することを特徴とする。   The method for manufacturing a ceramic heater element of the present invention includes an element molding having a base molding part mainly made of silicon nitride powder and a resistor molding part mainly embedded in the base molding part and mainly made of silicon nitride powder and tungsten carbide powder. The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater element by firing a body by a hot press method to obtain a ceramic heater element. The method for producing a ceramic heater element of the present invention is characterized in that the firing includes an atmosphere pressurizing step in which a pressing pressure is 20 to 40 MPa and an atmospheric pressure is 0.2 to 1.0 MPa in a nitrogen atmosphere.

本発明のグロープラグの製造方法は、上記したセラミックヒータ素子の製造方法によって製造されるセラミックヒータ素子を用いたグロープラグの製造方法に関する。本発明のグロープラグの製造方法は、上記したセラミックヒータ素子の製造方法によりグロープラグに用いられるセラミックヒータ素子を製造する工程と、該セラミックヒータ素子をセラミックヒータの構成部材である金属外筒に挿入するとともに、該金属外筒をグロープラグの構成部材である筒状の主体金具の筒孔先端に挿入してグロープラグとする工程とを有することを特徴とする。   The glow plug manufacturing method of the present invention relates to a glow plug manufacturing method using a ceramic heater element manufactured by the above-described ceramic heater element manufacturing method. The method for manufacturing a glow plug according to the present invention includes a step of manufacturing a ceramic heater element used for a glow plug by the above-described method of manufacturing a ceramic heater element, and inserting the ceramic heater element into a metal outer cylinder that is a constituent member of the ceramic heater. And a step of inserting the metal outer cylinder into the tip of a cylindrical hole of a cylindrical metal shell, which is a constituent member of the glow plug, to form a glow plug.

本発明のセラミックヒータ素子の製造方法によれば、焼成時に所定のプレス圧力および雰囲気圧力とする雰囲気加圧工程を行うことで、窒化珪素粉末および炭化タングステン粉末からなる素子成形体における二珪化タングステンの生成を抑制することができる。これにより、ダミーの素子成形体を不要とし、セラミックヒータ素子の生産性を向上させることができる。また、このようなセラミックヒータ素子の製造方法によりグロープラグのセラミックヒータ素子を製造することで、グロープラグの生産性を向上させることができる。   According to the method for manufacturing a ceramic heater element of the present invention, by performing an atmosphere pressurizing step of setting a predetermined press pressure and atmosphere pressure at the time of firing, the tungsten disilicide in the element molded body made of silicon nitride powder and tungsten carbide powder. Generation can be suppressed. This eliminates the need for a dummy element molded body and improves the productivity of the ceramic heater element. Further, by producing a glow plug ceramic heater element by such a ceramic heater element production method, the productivity of the glow plug can be improved.

本発明に係るセラミックヒータ素子を有するグロープラグの一例を示す縦断面図。The longitudinal section showing an example of the glow plug which has a ceramic heater element concerning the present invention. 素子成形体の製造方法の一例を示す図。The figure which shows an example of the manufacturing method of an element molded object. 素子成形体の一体化方法の一例を示す図。The figure which shows an example of the integration method of an element molded object. 素子成形体の焼成方法の一例を示す図。The figure which shows an example of the baking method of an element molded object. 図4に示すホットプレス用焼成炉の平面図。The top view of the baking furnace for hot press shown in FIG. 実施例における温度と開気孔率との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the temperature and open porosity in an Example.

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明のセラミックヒータ素子(以下、単にヒータ素子という)の製造方法は、主として窒化珪素粉末からなる基体成形部と、この基体成形部に埋設され、主として窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末とからなる抵抗体成形部とを有する素子成形体をホットプレス法により焼成してヒータ素子とするヒータ素子の製造方法に関する。本発明のヒータ素子の製造方法は、上記焼成が、窒素雰囲気中、プレス圧力を20〜40MPa、雰囲気圧力を0.2〜1.0MPaとする雰囲気加圧工程を有することを特徴とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The method for producing a ceramic heater element (hereinafter simply referred to as a heater element) of the present invention includes a base molded part mainly made of silicon nitride powder, and a resistor embedded in the base molded part and mainly made of silicon nitride powder and tungsten carbide powder. The present invention relates to a heater element manufacturing method in which an element molded body having a body molded portion is fired by a hot press method to form a heater element. The method for manufacturing a heater element of the present invention is characterized in that the firing includes an atmosphere pressurizing step in which a press pressure is 20 to 40 MPa and an atmospheric pressure is 0.2 to 1.0 MPa in a nitrogen atmosphere.

下記反応式(1)は、窒化珪素と炭化タングステンとから二珪化タングステンが生成する反応を示したものである。また、下記反応式(2)、(3)は、反応式(1)の反応をより具体的に示したものである。窒化珪素と炭化タングステンとから二珪化タングステンが生成する反応は、まず反応式(2)に示されるように窒化珪素が珪素と窒素とに熱分解し、この珪素が反応式(3)に示されるように炭化タングステンと反応することにより進行する。
Si + WC → WSi + SiC + 2N↑ ……(1)
Si → 3Si + 2N↑ ……(2)
3Si + WC → WSi + SiC ……(3)
The following reaction formula (1) shows a reaction in which tungsten disilicide is generated from silicon nitride and tungsten carbide. The following reaction formulas (2) and (3) more specifically show the reaction of the reaction formula (1). In the reaction in which tungsten disilicide is generated from silicon nitride and tungsten carbide, silicon nitride is first thermally decomposed into silicon and nitrogen as shown in reaction formula (2), and this silicon is shown in reaction formula (3). It proceeds by reacting with tungsten carbide.
Si 3 N 4 + WC → WSi 2 + SiC + 2N 2 ↑ (1)
Si 3 N 4 → 3Si + 2N 2 ↑ (2)
3Si + WC → WSi 2 + SiC (3)

窒化珪素と炭化タングステンとから二珪化タングステンが生成する反応、特に窒化珪素が珪素と窒素とに熱分解する反応は、焼成炉内のような高温、かつ強い還元雰囲気下で進行しやすい。上記雰囲気加圧工程によれば、高温、かつ強い還元雰囲気下であっても、プレス加圧と同時に従来よりも高い圧力で雰囲気加圧を行うことで、雰囲気中の窒素濃度を高め、反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解を抑制することができる。   A reaction in which tungsten disilicide is generated from silicon nitride and tungsten carbide, particularly a reaction in which silicon nitride is thermally decomposed into silicon and nitrogen, is likely to proceed under a high temperature and a strong reducing atmosphere as in a firing furnace. According to the atmosphere pressurization step, even under a high temperature and strong reducing atmosphere, by performing the atmosphere pressurization at a pressure higher than the conventional pressure simultaneously with the press pressurization, the nitrogen concentration in the atmosphere is increased, and the reaction formula Thermal decomposition of silicon nitride shown in (2) can be suppressed.

結果として、その後に続く反応式(3)に示される珪素と炭化タングステンとの反応を抑制し、二珪化タングステンの生成を抑制することができる。これにより、従来、還元雰囲気に晒されやすいためにダミーの素子成形体を配置していたホットプレス用成形型の外周部付近にも正規の素子成形体を配置することができ、ヒータ素子の生産性を向上させることができる。   As a result, the reaction of silicon and tungsten carbide shown in the following reaction formula (3) can be suppressed, and the formation of tungsten disilicide can be suppressed. As a result, it is possible to place a regular element molding near the outer periphery of a hot press mold, which has conventionally been provided with a dummy element molding because it is easily exposed to a reducing atmosphere, thereby producing heater elements. Can be improved.

雰囲気加圧工程における窒素雰囲気の雰囲気圧力(窒素分圧)が0.2MPa(2気圧)未満の場合、雰囲気圧力が十分に高くないために、すなわち雰囲気中の窒素濃度が十分に高くないために、反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解を抑制することができない。一方、雰囲気圧力は1.0MPa(10気圧)もあれば十分に反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解を抑制することができ、これを超えても窒化珪素の熱分解を抑制する効果は向上せず、かえって製造コストが上昇し、また焼成炉等の機器への負担が大きくなるために好ましくない。   When the atmosphere pressure (nitrogen partial pressure) of the nitrogen atmosphere in the atmosphere pressurization step is less than 0.2 MPa (2 atm), the atmosphere pressure is not sufficiently high, that is, the nitrogen concentration in the atmosphere is not sufficiently high. The thermal decomposition of silicon nitride shown in the reaction formula (2) cannot be suppressed. On the other hand, if the atmospheric pressure is 1.0 MPa (10 atm), the thermal decomposition of silicon nitride shown in the reaction formula (2) can be sufficiently suppressed. This is not preferable because the effect is not improved, the manufacturing cost is increased, and the burden on equipment such as a firing furnace is increased.

また、雰囲気加圧工程におけるプレス圧力が20MPa未満の場合、プレス圧力が十分に高くないために、反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解反応を抑制することができない。一方、プレス圧力は40MPaもあれば十分に反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解を抑制することができ、これを超えると焼成室を構成する部材やホットプレス用成形型が破損しやすくなる。   Moreover, when the press pressure in an atmosphere pressurization process is less than 20 MPa, since the press pressure is not sufficiently high, the thermal decomposition reaction of silicon nitride represented by the reaction formula (2) cannot be suppressed. On the other hand, if the pressing pressure is 40 MPa, the thermal decomposition of silicon nitride shown in the reaction formula (2) can be sufficiently suppressed, and if it exceeds this, the members constituting the firing chamber and the hot pressing mold are damaged. It becomes easy.

雰囲気加圧工程、特に雰囲気加圧は、昇温途中の温度が1600〜1700℃のときに開始することが好ましい。温度が1600℃以上となると、素子成形体の表面が十分に焼成され、開気孔が消滅した状態となる。このような状態のものに対して雰囲気加圧工程、特に雰囲気加圧を行うことで、高圧雰囲気が素子成形体の内部に侵入することを抑制でき、この高圧雰囲気からなる残留気孔によって強度が低下することを抑制することができる。一方、温度が1700℃を超えると、反応式(2)に示される窒化珪素の熱分解が進行し、結果として二珪化タングステンの生成を抑制することが難しくなる。雰囲気加圧工程、特に雰囲気加圧の開始温度を1700℃以下とすることで、窒化珪素の熱分解を効果的に抑制し、結果として二珪化タングステンの生成を抑制することができる。   The atmosphere pressurization step, particularly the atmosphere pressurization, is preferably started when the temperature during the temperature increase is 1600 to 1700 ° C. When the temperature is 1600 ° C. or higher, the surface of the element molded body is sufficiently fired, and the open pores disappear. By performing atmospheric pressure process, particularly atmospheric pressure, on such a state, it is possible to suppress the high pressure atmosphere from entering the inside of the element molded body, and the strength is lowered by the residual pores made of this high pressure atmosphere. Can be suppressed. On the other hand, when the temperature exceeds 1700 ° C., thermal decomposition of silicon nitride shown in the reaction formula (2) proceeds, and as a result, it becomes difficult to suppress the formation of tungsten disilicide. By setting the start temperature of the atmosphere pressurization step, particularly the atmosphere pressurization to 1700 ° C. or less, thermal decomposition of silicon nitride can be effectively suppressed, and as a result, formation of tungsten disilicide can be suppressed.

本発明における焼成は、通常、まず窒素雰囲気中、雰囲気圧力を0.1MPa(1気圧)程度として昇温する。そして、昇温中、1600〜1700℃で雰囲気加圧工程、特に雰囲気圧力が0.2MPa以上となるように雰囲気加圧を行う。さらに、このような雰囲気加圧工程を行いつつ所望の焼成温度、例えば1700〜1850℃まで昇温して焼成を行う。なお、雰囲気加圧工程は、所望の焼成温度に達するまで、さらには所望の焼成温度での維持が終了するまで行うことが好ましい。   In the firing in the present invention, first, the temperature is first raised in a nitrogen atmosphere at an atmospheric pressure of about 0.1 MPa (1 atm). During the temperature increase, atmospheric pressure is applied at 1600 to 1700 ° C. so that the atmospheric pressure becomes 0.2 MPa or more. Further, the firing is performed by raising the temperature to a desired firing temperature, for example, 1700 to 1850 ° C., while performing such an atmosphere pressurizing step. In addition, it is preferable to perform an atmosphere pressurization process until it reaches | attains a desired calcination temperature, and also the maintenance at a desired calcination temperature is complete | finished.

雰囲気加圧工程におけるプレス加圧は、必ずしも雰囲気加圧と同時に開始する必要はなく、例えば雰囲気加圧工程前にプレス加圧を開始し、このプレス加圧をそのまま雰囲気加圧工程で維持してもよい。通常、プレス加圧は、素子成形体の収縮開始温度(液相生成開始温度)までに昇圧を完了させることが好ましく、焼結助剤の成分によっても異なるが、例えば1450℃までに昇圧を完了させることが好ましく、これをその後の昇温および雰囲気加圧工程において維持することが好ましい。   The pressurization in the atmosphere pressurization process does not necessarily need to be started simultaneously with the atmosphere pressurization. For example, the pressurization is started before the atmosphere pressurization process, and this pressurization is maintained as it is in the atmosphere pressurization process. Also good. Normally, it is preferable that pressurization is completed before the shrinkage start temperature (liquid phase generation start temperature) of the element molded body, and the pressurization is completed by 1450 ° C, for example, although it depends on the components of the sintering aid. It is preferable to maintain this in the subsequent temperature increase and atmospheric pressure step.

このような製造方法によって製造されるヒータ素子としては、基体成形部が焼成されてなる絶縁基体が窒化珪素を主成分とし、抵抗体成形部が焼成されてなる発熱抵抗体が窒化珪素と炭化タングステンとを主成分とするものであれば特に制限されるものではない。   As a heater element manufactured by such a manufacturing method, the insulating base formed by firing the base molding portion is mainly composed of silicon nitride, and the heating resistor formed by firing the resistor molding portion is silicon nitride and tungsten carbide. If it has as a main component, there will be no restriction | limiting in particular.

絶縁基体は、窒化珪素以外にも、焼結助剤、発熱抵抗体を構成する導電性セラミック等を含有することができる。例えば、周期律表の3A、4A、5A、3B(例えばAl)、および4B(例えばSi)の各族の元素群、ならびにMgから選ばれる少なくとも1種を酸化物換算で1〜10質量%含有することができる。これら成分は主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。これらの成分の含有量が1質量%未満では緻密な焼結体が得にくくなり、10質量%を超えると強度や靭性あるいは耐熱性が不足する。   In addition to silicon nitride, the insulating substrate can contain a sintering aid, a conductive ceramic constituting a heating resistor, and the like. For example, it contains 1 to 10% by mass in terms of oxide of at least one element selected from the group of elements 3A, 4A, 5A, 3B (for example, Al), and 4B (for example, Si) in the periodic table, and Mg. can do. These components are mainly contained in the form of complex oxides such as oxides or silicates. When the content of these components is less than 1% by mass, it is difficult to obtain a dense sintered body. When the content exceeds 10% by mass, the strength, toughness or heat resistance is insufficient.

また、希土類元素を使用する場合、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを用いることができる。これらのうちでもTb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。これらの希土類元素は酸化物換算で1〜15質量%含有させることができる。   Moreover, when using rare earth elements, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu can be used. Among these, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb can be suitably used because they promote the crystallization of the grain boundary phase and improve the high temperature strength. These rare earth elements can be contained in an amount of 1 to 15% by mass in terms of oxide.

導電性セラミックは、例えば絶縁性基体の全体を100質量%とした場合に5質量%以下含有することができる。このような含有量とすることで、発熱抵抗体との熱膨張係差を軽減することができる。なお、窒化珪素の含有量は、絶縁性基体の全体を100質量%とした場合に80質量%以上が好ましい。   The conductive ceramic can be contained in an amount of 5% by mass or less, for example, when the entire insulating substrate is 100% by mass. By setting it as such content, the thermal expansion difference with a heating resistor can be reduced. The content of silicon nitride is preferably 80% by mass or more when the entire insulating substrate is 100% by mass.

発熱抵抗体は、窒化珪素と炭化タングステン以外にも、絶縁基体と同様な焼結助剤等を含有することができる。焼結助剤等の含有量は、例えば発熱抵抗体の全体を100質量%とした場合に10質量%以下が好ましい。また、窒化珪素と炭化タングステンとは、これらの合計量を100質量%とした場合に炭化タングステンが45〜65質量%が好ましく、50〜60質量%がより好ましい。   In addition to silicon nitride and tungsten carbide, the heating resistor can contain a sintering aid similar to that of the insulating substrate. The content of the sintering aid or the like is preferably 10% by mass or less when the entire heating resistor is 100% by mass, for example. Moreover, 45-65 mass% of tungsten carbide is preferable and 50-60 mass% is more preferable, when silicon nitride and tungsten carbide make these total amount 100 mass%.

このようなヒータ素子としては、特に急速昇温タイプのヒータ素子が好ましい。急速昇温タイプのヒータ素子は、発熱抵抗体における発熱部がリード部に比べて細径であり、リード部が位置する部分の絶縁基体に比べて発熱部が位置する部分の絶縁基体が厚くなっている。通常、発熱抵抗体に比べて絶縁基体の焼成時の収縮率は大きいことから、このようなものをホットプレス法により製造した場合、リード部が位置する部分の絶縁基体に比べて発熱部が位置する部分の絶縁基体の収縮が大きくなり、結果としてホットプレス用成形型との間に隙間が形成されたような状態となる。このため、特に発熱部が位置する部分に対するプレス圧力が十分でなくなり、二珪化タングステンが生成しやすく、また絶縁基体と発熱抵抗体との界面部、特に発熱部との界面部に窒素雰囲気が封入されやすい。   As such a heater element, a rapid heating type heater element is particularly preferable. In the rapid heating type heater element, the heat generating portion of the heat generating resistor has a smaller diameter than the lead portion, and the insulating base portion where the heat generating portion is located is thicker than the insulating base portion where the lead portion is located. ing. In general, the shrinkage rate when firing an insulating substrate is larger than that of a heating resistor. Therefore, when such a product is manufactured by a hot press method, the heating portion is positioned as compared with the insulating substrate where the lead portion is positioned. The shrinkage of the insulating substrate in the portion to be increased increases, and as a result, a gap is formed with the hot press mold. For this reason, the pressing pressure on the part where the heat generating part is located is not sufficient, tungsten disilicide is easily generated, and the nitrogen atmosphere is sealed at the interface part between the insulating substrate and the heat generating resistor, particularly the interface part between the heat generating part. Easy to be.

雰囲気加圧工程を有する製造方法によれば、このような急速昇温タイプのヒータ素子においても、二珪化タングステンの生成等を抑制し、強度や通電耐久性を十分なものとすることができる。急速昇温タイプのヒータ素子としては、通電時の耐クラック性を確保するために発熱抵抗体の最小径となる部分の断面積を0.25mm以上とし、かつ急速昇温性能を確保するために最大径となる部分の断面積を最小径となる部分の断面積の2倍以上としたものが挙げられる。通常、最小径は発熱部のいずれかの部分に存在し、最大径はリード部のいずれかの部分に存在する。最小径となる部分の断面積は0.28〜1.2mmが好ましく、最大径となる部分の断面積は最小径となる部分の断面積の2.4〜8.1倍が好ましい。 According to the manufacturing method including the atmosphere pressurizing step, even in such a rapid temperature rising type heater element, the generation of tungsten disilicide or the like can be suppressed, and the strength and energization durability can be made sufficient. As a rapid heating type heater element, in order to ensure crack resistance when energized, the cross-sectional area of the minimum diameter of the heating resistor is set to 0.25 mm 2 or more, and rapid heating performance is ensured. In addition, the cross-sectional area of the portion having the maximum diameter may be twice or more the cross-sectional area of the portion having the minimum diameter. Usually, the minimum diameter exists in any part of the heat generating part, and the maximum diameter exists in any part of the lead part. Sectional area of the portion to be the smallest diameter is preferably 0.28~1.2mm 2, the cross-sectional area of the portion having the maximum diameter 2.4 to 8.1 times the cross-sectional area of the portion where the minimum diameter is preferred.

以下、グロープラグに用いられるヒータ素子を例に挙げて具体的に説明する。まず、グロープラグ等の構造について説明する。   Hereinafter, the heater element used for the glow plug will be specifically described by way of example. First, the structure of a glow plug or the like will be described.

グロープラグ10は、セラミックヒータ11と、このセラミックヒータ11の後端部を内部に保持する筒状の主体金具12とを備える。主体金具12の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ10を固定するための、取付部としてのねじ部121が形成され、後端部にはエンジンブロックへの固定の際に締め付けに用いる工具が係合する、断面六角形の工具係合部122が形成されている。   The glow plug 10 includes a ceramic heater 11 and a cylindrical metal shell 12 that holds the rear end portion of the ceramic heater 11 inside. On the outer peripheral surface of the metal shell 12, a screw portion 121 as an attachment portion for fixing the glow plug 10 to an engine block (not shown) is formed, and the rear end portion is used for tightening when fixing to the engine block. A tool engaging portion 122 having a hexagonal cross section is formed to engage the tool.

主体金具12の内部には、後端側からセラミックヒータ11に電力を供給するための柱状の金属軸13が、自身の後端部を主体金具12から突出させた状態で主体金具12と絶縁状態で配置されている。主体金具の後端部において、この金属軸13の周囲には絶縁性素材であるフッ素ゴム等からなるOリング14とナイロン等の樹脂製の絶縁ブッシュ15が配置されている。絶縁ブッシュ15は、自身の後端側に径方向外側へ鍔状に張り出したフランジ部151と、その先端側に当該フランジ部151よりも細く筒状をなす小径部152とを有している。この絶縁ブッシュ15は、前記フランジ部151の先端向き面が主体金具12の後端へ当接するよう、小径部152が主体金具12の筒孔の後端部へ隙間嵌めされる形で前記金属軸13の周囲に配置される。この小径部152の先端面に押圧されるとともに主体金具12の筒孔及び金属軸13に当接するようにOリング14は配設され、グロープラグ10の後端部における、内部と外部との気密が保たれている。   Inside the metal shell 12, a columnar metal shaft 13 for supplying electric power to the ceramic heater 11 from the rear end side is insulated from the metal shell 12 with its rear end protruding from the metal shell 12. Is arranged in. At the rear end of the metal shell, an O-ring 14 made of an insulating material such as fluoro rubber and an insulating bush 15 made of resin such as nylon are disposed around the metal shaft 13. The insulating bush 15 has a flange portion 151 projecting radially outward on the rear end side of the insulating bush 15 and a small-diameter portion 152 having a cylindrical shape narrower than the flange portion 151 on the front end side. The insulating bush 15 has the metal shaft in such a manner that the small diameter portion 152 is fitted into the rear end portion of the cylindrical hole of the metal shell 12 so that the front surface of the flange portion 151 contacts the rear end of the metal shell 12. 13 around. The O-ring 14 is disposed so as to be pressed against the front end surface of the small-diameter portion 152 and to be in contact with the cylindrical hole of the metal shell 12 and the metal shaft 13, and the airtightness between the inside and the outside at the rear end portion of the glow plug 10. Is maintained.

主体金具12の後方に延出した金属軸13の後端部には、端子金具17が嵌め込まれている。端子金具17は、径方向の加締め部17aにより、金属軸13の外周面に導通状態で固定されている。   A terminal fitting 17 is fitted into the rear end portion of the metal shaft 13 extending rearward of the metal shell 12. The terminal fitting 17 is fixed to the outer peripheral surface of the metal shaft 13 in a conductive state by a caulking portion 17a in the radial direction.

セラミックヒータ11は、ヒータ素子18と、このヒータ素子18を先端部が突出するように内部に保持する金属外筒19とを有する。金属外筒19は全体として筒状をなし、先端側に比較的薄肉に形成された小径部191、その小径部の後端側に拡径するテーパ部192を介して比較的肉厚に形成された大径部193、さらに大径部の後端側に、主体金具12の筒孔と略同一の外径を有し大径部193よりも小径の係合部194を備えている。この係合部194を主体金具12の筒孔先端へ挿入し、大径部193の後端向き面と主体金具12の先端面とを当接させ、その当接部を全周レーザー溶接する形で金属外筒19と主体金具12とを固定している。   The ceramic heater 11 includes a heater element 18 and a metal outer cylinder 19 that holds the heater element 18 inside such that the tip portion protrudes. The metal outer cylinder 19 has a cylindrical shape as a whole, and is formed to be relatively thick through a small diameter portion 191 formed relatively thin on the front end side and a tapered portion 192 that expands on the rear end side of the small diameter portion. Further, an engaging portion 194 having an outer diameter substantially the same as the cylindrical hole of the metal shell 12 and having a smaller diameter than that of the large diameter portion 193 is provided on the rear end side of the large diameter portion 193. The engaging portion 194 is inserted into the front end of the cylindrical hole of the metal shell 12, the rear end facing surface of the large diameter portion 193 and the front end surface of the metal shell 12 are brought into contact, and the contact portion is laser welded all around. The metal outer cylinder 19 and the metal shell 12 are fixed.

ヒータ素子18は、窒化珪素を主成分とする絶縁基体21中に窒化珪素および炭化タングステンを主成分とする発熱抵抗体22が埋設された棒状の形態を有する。発熱抵抗体22は、ヒータ素子18の先端側に配置されるU字状を有する発熱部23と、この両端部に接続され、ヒータ素子18の軸線方向に沿って延伸された一対の直線状のリード部24とを有する。このリード部24の一方には径方向へ分岐しヒータ素子18の側面へ露出する接地用通電端子部25が形成され、ヒータ素子18を圧入保持する金属外筒19を介して主体金具12に電気的に接続されている。リード部24の他方には前記接地用通電端子部25よりも後方に、当該接地用通電端子部25に類似した形で、直線状部分から分岐しヒータ素子18の側面へ露出する電源側通電端子部26が形成される。金属軸13の先端に接合され円筒状をなすリング部材16が、ヒータ素子18の後端部に外嵌めされ、これにより電源側通電端子部26は金属軸13に電気的に接続されている。これにより、発熱抵抗体22のU字状に折り返された発熱部23が抵抗発熱する。   The heater element 18 has a rod shape in which a heating resistor 22 mainly composed of silicon nitride and tungsten carbide is embedded in an insulating base 21 mainly composed of silicon nitride. The heating resistor 22 has a U-shaped heating part 23 disposed on the front end side of the heater element 18 and a pair of straight lines connected to both ends and extended along the axial direction of the heater element 18. And a lead portion 24. One of the lead portions 24 is formed with a ground energizing terminal portion 25 that branches in the radial direction and is exposed to the side surface of the heater element 18, and is electrically connected to the metal shell 12 through a metal outer cylinder 19 that press-fits the heater element 18. Connected. On the other side of the lead portion 24, a power supply side energization terminal that branches off from the linear portion and is exposed to the side surface of the heater element 18 in a shape similar to the ground energization terminal portion 25 behind the ground energization terminal portion 25. A portion 26 is formed. A cylindrical ring member 16 joined to the tip of the metal shaft 13 is fitted on the rear end of the heater element 18, whereby the power supply side energizing terminal portion 26 is electrically connected to the metal shaft 13. As a result, the heat generating portion 23 folded back in the U shape of the heat generating resistor 22 generates resistance heat.

このようなヒータ素子18は、以下のようにして製造することができる。
まず、図2に示すように、成形材料を射出成形して発熱抵抗体22となる抵抗体成形部22aを作製する。抵抗体成形部22aは、発熱部23となる発熱体成形部23aと、リード部24となるリード成形部24aとを有するものである。成形材料は、窒化珪素粉末および炭化タングステン粉末に焼結助剤粉末等を配合した抵抗体用原料粉末と、有機バインダとを混練したコンパウンドを加熱により溶融流動化させたものである。
Such a heater element 18 can be manufactured as follows.
First, as shown in FIG. 2, a resistor molding portion 22 a that becomes a heating resistor 22 is manufactured by injection molding of a molding material. The resistor molding part 22 a has a heating element molding part 23 a that becomes the heating part 23 and a lead molding part 24 a that becomes the lead part 24. The molding material is obtained by melting and fluidizing a compound obtained by kneading a raw material powder for a resistor in which a sintering aid powder is blended with a silicon nitride powder and a tungsten carbide powder and an organic binder.

別途、絶縁基体用原料粉末をプレス成形することにより、上下別体に形成された一対の基体成形部21aを作製する。基体成形部21aの合わせ面には、それぞれ抵抗体成形部22aに対応した形状の凹部27が形成されている。   Separately, the raw material powder for an insulating substrate is press-molded to produce a pair of substrate molding portions 21a formed in separate upper and lower bodies. On the mating surface of the base molding portion 21a, concave portions 27 having shapes corresponding to the resistor molding portions 22a are formed.

次いで、凹部27に抵抗体成形部22aを収容するようにして、基体成形部21aを合わせ面において嵌め合わせる。そして、図3に示すように、金型31に収容し、一対のパンチ32によりプレス成形することにより一体化して素子成形体18aとする。この素子成形体18aに対して、バインダ成分を除去するために600〜800℃程度で仮焼を行う。この仮焼が行われた素子成形体18aに対して、雰囲気加圧工程を有するホットプレス法による焼成を行ってヒータ素子18とする。   Next, the base molding portion 21 a is fitted on the mating surface so that the resistor molding portion 22 a is accommodated in the recess 27. And as shown in FIG. 3, it accommodates in the metal mold | die 31 and press-molds with a pair of punch 32, and it is united and it is set as the element molded object 18a. The element molded body 18a is calcined at about 600 to 800 ° C. in order to remove the binder component. The element molded body 18a subjected to the calcination is fired by a hot press method having an atmosphere pressurizing step to obtain the heater element 18.

図4は、素子成形体18aの焼成方法の一例を示す断面図である。
焼成は、例えば誘導加熱方式のホットプレス用焼成炉(以下、単に焼成炉という)40を用いて行われる。焼成炉40は、円筒状等の筒状のモールド41、このモールド41に挿入され、素子成形体18aにプレス圧力を加えるプレス棒42、およびモールド41の側面部に配置され、該モールド41に高周波を印加して加熱を行うためのコイル43等を有する。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a firing method of the element molded body 18a.
Firing is performed using, for example, an induction heating type hot press firing furnace (hereinafter simply referred to as a firing furnace) 40. The firing furnace 40 is arranged in a cylindrical mold 41 such as a cylindrical shape, a press rod 42 inserted into the mold 41 and applying a pressing pressure to the element molded body 18a, and a side surface portion of the mold 41. A coil 43 and the like for heating with application of.

モールド41内には、焼成室45を規定する仕切板46が配置される。仕切板46は、加圧軸方向に延びる板状のものであり、例えば図5に示すように平面視で4枚が四角形状に配置されて筒状を形成している。各仕切板46の外側には、仕切板46とモールド41との隙間を埋めるための隙間調整板47が配置される。隙間調整板47は、外側表面がモールド41の形状に合わせた円弧状とされ、内側表面が仕切板46に合わせた平面状とされている。焼成室45を構成する部材、すなわちモールド41、プレス棒42、仕切板46、隙間調整板47は、一般に同一材料からなり、黒鉛からなるものである。   A partition plate 46 that defines the firing chamber 45 is disposed in the mold 41. The partition plate 46 has a plate shape extending in the pressure axis direction, and for example, as shown in FIG. 5, four plates are arranged in a square shape in a plan view to form a cylindrical shape. A gap adjusting plate 47 for filling a gap between the partition plate 46 and the mold 41 is disposed outside each partition plate 46. The gap adjusting plate 47 has an arcuate shape whose outer surface matches the shape of the mold 41, and a flat shape whose inner surface matches the partition plate 46. The members constituting the firing chamber 45, that is, the mold 41, the press bar 42, the partition plate 46, and the gap adjusting plate 47 are generally made of the same material and made of graphite.

素子成形体18aは、ホットプレス用成形型48に挟持されるようにして焼成室45内に配置される。最下段(1段目)のホットプレス用成形型48は、下面が平坦状であり、上面に複数の素子成形体18aが配置される凹部が列状に形成されたものである。この最下段のホットプレス用成形型48には、例えば図示しないカーボン製シートが配置された後、素子成形体18aが配置される。カーボン製シートは、ホットプレス用成形型48の凹部と素子成形体18aとの隙間を埋め、適切なプレス圧力を素子成形体18aに加えるために用いられる。   The element molded body 18 a is disposed in the firing chamber 45 so as to be sandwiched between the hot press molds 48. The lowermost (first stage) hot pressing mold 48 has a flat bottom surface and a plurality of concave portions in which a plurality of element molded bodies 18a are arranged on the top surface. In the lowermost hot press mold 48, for example, a carbon sheet (not shown) is disposed, and then the element molded body 18 a is disposed. The carbon sheet is used to fill a gap between the concave portion of the hot press mold 48 and the element molded body 18a and apply an appropriate pressing pressure to the element molded body 18a.

最下段の素子成形体18a上には、カーボン製シートを介して2段目のホットプレス用成形型48が配置される。2段目以降のホットプレス用成形型48には、下面と上面の両面に複数の素子成形体18aが配置される凹部が列状に形成されている。このようにしてホットプレス用成形型48と素子成形体18aとが交互に積層され、最上段には下面のみに複数の素子成形体18aが配置される凹部が列状に形成されたホットプレス用成形型48が積層される。通常、ホットプレス用成形型48は黒鉛からなるものとされている。   On the lowermost element molded body 18a, a second-stage hot pressing mold 48 is disposed via a carbon sheet. In the second and subsequent hot pressing molds 48, concave portions in which a plurality of element molded bodies 18a are arranged are formed in rows on both the lower surface and the upper surface. In this way, the hot-press molds 48 and the element molded bodies 18a are alternately laminated, and the uppermost stage has a row of concave portions in which a plurality of element molded bodies 18a are arranged only on the lower surface. A mold 48 is stacked. Usually, the hot press mold 48 is made of graphite.

このようにしてホットプレス用成形型48と素子成形体18aとが交互に積層された積層体は黒鉛製板材49に挟持するようにして焼成炉40の焼成室45に配置される。そして、コイル43から高周波を印加してモールド41を加熱するとともに、一対のプレス棒42により加圧して焼成を行う。   The laminated body in which the hot pressing molds 48 and the element molded bodies 18 a are alternately laminated in this way is disposed in the firing chamber 45 of the firing furnace 40 so as to be sandwiched between the graphite plate members 49. A high frequency is applied from the coil 43 to heat the mold 41 and pressurization is performed by a pair of press rods 42 to perform firing.

焼成は、まず窒素雰囲気中、雰囲気圧力を0.1MPa(1気圧)程度として昇温を行う。昇温中、例えば素子成形体18aの収縮開始温度(液相生成開始温度)、例えば1450℃までにプレス圧力を20〜40MPaとするプレス加圧を開始し、この状態を維持する。また、昇温中、1600〜1700℃で、雰囲気加圧工程、特に雰囲気圧力を0.2〜1.0MPaとする雰囲気加圧を開始し、この状態を維持する。その後、昇温を続けて所望の焼成温度、例えば1700〜1850℃に達した時点で1〜2時間程度保持した後、冷却する。なお、冷却時については、必ずしも雰囲気加圧工程を行う必要はない。ホットプレス用成形型48から取り出されたものは、センタレス研磨による外周面の研磨、両端側の端面研磨、さらに先端側の反球面研磨等が行われてヒータ素子18とされる。   The firing is first performed in a nitrogen atmosphere at an atmospheric pressure of about 0.1 MPa (1 atm). During the temperature rise, for example, press pressurization with a press pressure of 20 to 40 MPa is started by, for example, the shrinkage start temperature (liquid phase generation start temperature) of the element molded body 18a, for example, 1450 ° C., and this state is maintained. Further, during the temperature increase, the atmosphere pressurization step, particularly the atmosphere pressurization with the atmosphere pressure of 0.2 to 1.0 MPa is started at 1600 to 1700 ° C., and this state is maintained. Thereafter, the temperature is continuously increased, and when it reaches a desired firing temperature, for example, 1700 to 1850 ° C., it is maintained for about 1 to 2 hours, and then cooled. In addition, it is not always necessary to perform an atmosphere pressurization process at the time of cooling. What is taken out from the hot pressing mold 48 is subjected to polishing of the outer peripheral surface by centerless polishing, end surface polishing at both ends, and further anti-spherical polishing at the front end to form the heater element 18.

このような雰囲気加圧工程を有する製造方法によれば、二珪化タングステンの生成を抑制することができるために、従来、還元雰囲気に晒されやすいためにダミーの素子成形体を配置していたホットプレス用成形型48の外周部付近にも正規の素子成形体18aを配置することができ、ヒータ素子18の生産性を向上させることができる。   According to the manufacturing method having such an atmosphere pressurizing step, since it is possible to suppress the formation of tungsten disilicide, conventionally, a hot element in which a dummy element molded body is disposed because it is easily exposed to a reducing atmosphere. The regular element molded body 18a can also be disposed near the outer periphery of the pressing mold 48, and the productivity of the heater element 18 can be improved.

以下、実施例を参照して本発明の製造方法についてより具体的に説明する。   Hereinafter, the production method of the present invention will be described more specifically with reference to examples.

(実施例1)
平均粒径1.0μmの窒化珪素粉末85質量%、焼結助剤としてのYb粉末10質量%およびSiO粉末5質量%を配合して絶縁成分粉末とした。この絶縁成分用粉末45重量%、WC粉末55重量%をボールミルで24時間湿式混合し、乾燥して混合粉末を得た。この混合粉末に所定量のバインダを添加し、混錬機により4時間混錬した。この混錬物をペレット状とし、射出成形機に投入して抵抗体成形部22aとした。なお、抵抗体成形部22aは、発熱抵抗体22としたときの最小径となる部分の断面積が1.0mm、最大径となる部分の断面積が2.8mm(最小径部分に対する最大径部分の断面積比が2.8)となるもの(急速昇温タイプ用)とした。
Example 1
An insulating component powder was prepared by blending 85% by mass of silicon nitride powder having an average particle size of 1.0 μm, 10% by mass of Yb 2 O 3 powder as a sintering aid and 5% by mass of SiO 2 powder. The insulating component powder 45 wt% and the WC powder 55 wt% were wet mixed in a ball mill for 24 hours and dried to obtain a mixed powder. A predetermined amount of a binder was added to the mixed powder and kneaded for 4 hours with a kneader. The kneaded material was pelletized and charged into an injection molding machine to form a resistor molding portion 22a. The resistance-forming section 22a is the maximum cross-sectional area of the portion to be a minimum diameter 1.0 mm 2, the cross-sectional area of the portion having the maximum diameter to 2.8 mm 2 (minimum diameter portion when the heating resistor 22 The cross-sectional area ratio of the diameter portion was 2.8) (for rapid temperature rising type).

一方、平均粒径0.6μmの窒化珪素粉末83質量%、焼結助剤としてのYb粉末10質量%およびSiO粉末5質量%、MoSi粉末2質量%を配合し、バインダを添加して20時間湿式混合し、スプレードライにより造粒した。この造粒粉末をプレス成形して凹部27を有する一対の基体成形部21aを作製した。 Meanwhile, 83% by mass of silicon nitride powder having an average particle size of 0.6 μm, 10% by mass of Yb 2 O 3 powder as a sintering aid, 5% by mass of SiO 2 powder, and 2 % by mass of MoSi 2 powder were blended, The mixture was added, wet mixed for 20 hours, and granulated by spray drying. The granulated powder was press-molded to produce a pair of base body molded portions 21 a having recesses 27.

凹部27に抵抗体成形部22aを収容するように基体成形部21aを嵌め合わせた後、金型31に収容して一対のパンチ32によりプレス成形して一体化して素子成形体18aとした。さらに、素子成形体18aに対して、バインダ成分を除去するために、窒素雰囲気中、600℃で仮焼を行った。   After the base molding part 21a was fitted so as to accommodate the resistor molding part 22a in the recess 27, it was accommodated in the mold 31 and press-molded by a pair of punches 32 to be integrated into the element molding 18a. Further, the element compact 18a was calcined at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere in order to remove the binder component.

そして、図4に示すように複数の素子成形体18aをホットプレス用成形型48で挟持するようにして焼成炉40に配置し、窒素雰囲気中、雰囲気圧力を0.1MPa(1気圧)として昇温を開始し、1720℃または1800℃で焼成を行った。この際、構成材料の収縮開始温度(液相生成開始温度)以下である1450℃までにプレス加圧を開始するとともに、この状態を維持した。なお、プレス圧力は15〜40MPaとした。また、雰囲気加圧工程として、1650℃で窒素雰囲気の雰囲気圧力を0.1〜1.0MPaとする雰囲気加圧を開始し、この状態を維持した。なお、雰囲気加圧工程におけるプレス加圧は、上記プレス加圧をそのまま利用した。   Then, as shown in FIG. 4, a plurality of element molded bodies 18a are arranged in the firing furnace 40 so as to be sandwiched between hot pressing molds 48, and the atmospheric pressure is increased to 0.1 MPa (1 atm) in a nitrogen atmosphere. The temperature was started and firing was performed at 1720 ° C or 1800 ° C. At this time, pressurization was started up to 1450 ° C., which is lower than the shrinkage start temperature (liquid phase generation start temperature) of the constituent materials, and this state was maintained. The press pressure was 15 to 40 MPa. In addition, as an atmosphere pressurizing step, an atmosphere pressurization was started at 1650 ° C., and the atmosphere pressure of the nitrogen atmosphere was 0.1 to 1.0 MPa, and this state was maintained. In addition, the press pressurization in an atmosphere pressurization process utilized the said press pressurization as it was.

このようにして製造された複数のヒータ素子18のうちホットプレス用成形型48の外周部付近から得られたものについて、二珪化タングステン(WSi)の生成の有無、抗折強度、通電耐久性の評価を行った。表1、2に、それぞれ焼成温度が1720℃、1800℃のときの結果を示す。 Of the plurality of heater elements 18 thus manufactured, those obtained from the vicinity of the outer periphery of the hot press mold 48, whether or not tungsten disilicide (WSi 2 ) was generated, bending strength, and current durability. Was evaluated. Tables 1 and 2 show the results when the firing temperatures are 1720 ° C and 1800 ° C, respectively.

なお、二珪化タングステンの生成の有無はICP発光法により評価した。また、抗折強度は、JIS R 1601に準じて3点曲げ強度を測定した。この際のスパンは12mmとし、クロスヘッド速度は0.5mm/分とした。   Note that the presence or absence of tungsten disilicide was evaluated by the ICP emission method. Further, the bending strength was measured by a three-point bending strength according to JIS R 1601. The span at this time was 12 mm, and the crosshead speed was 0.5 mm / min.

さらに、通電耐久性は、以下のように評価した。まず、通電1秒後に1000℃となる電圧を印加し、その後1400℃になるまでその電圧を維持し、1400℃に到達したら通電をオフし、エアにて30秒間強制冷却する。このサイクルを繰り返して行い、発熱抵抗体の抵抗値が初期の抵抗値に対して10%以上変化するまでのサイクル数を測定した。なお、抵抗値の測定は、最大で10000サイクルまで行った。   Furthermore, the current-carrying durability was evaluated as follows. First, a voltage of 1000 ° C. is applied after 1 second of energization, and then the voltage is maintained until it reaches 1400 ° C. When 1400 ° C. is reached, the energization is turned off and forced cooling is performed with air for 30 seconds. This cycle was repeated, and the number of cycles until the resistance value of the heating resistor changed by 10% or more with respect to the initial resistance value was measured. The resistance value was measured up to 10,000 cycles.

Figure 2012104385
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Figure 2012104385
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表1、2に示されるように、プレス圧力を20MPa以上とし、かつ雰囲気圧力を0.2〜1.0MPaとしたものは、二珪化タングステン(WSi)の生成が抑制され、少なくとも10000サイクル以上の通電耐久性、800MPa以上の抗折強度を得られることが認められた。 As shown in Tables 1 and 2, when the pressing pressure is 20 MPa or more and the atmospheric pressure is 0.2 to 1.0 MPa, the formation of tungsten disilicide (WSi 2 ) is suppressed, and at least 10,000 cycles or more. It was confirmed that a current-carrying durability and a bending strength of 800 MPa or more can be obtained.

(実施例2)
雰囲気加圧工程(雰囲気加圧)の開始温度を1470〜1710℃に変更した以外は基本的に実施例1と同様にしてヒータ素子18を製造した。なお、焼成温度は1720℃、雰囲気加圧工程における雰囲気圧力は0.5MPa、プレス圧力は30MPaとした。また、このようにして得られたヒータ素子18について、二珪化タングステン(WSi)の生成の有無、界面部気孔(絶縁基体と発熱抵抗体との界面部における気孔)の有無、通電耐久性、抗折強度の評価を行った。なお、界面部気孔の有無は、走査型電子顕微鏡(SEM)にて倍率3000倍の視野にて観察により評価した。結果を表3に示す。
(Example 2)
A heater element 18 was manufactured basically in the same manner as in Example 1 except that the start temperature of the atmosphere pressurization step (atmosphere pressurization) was changed to 1470 to 1710 ° C. The firing temperature was 1720 ° C., the atmospheric pressure in the atmospheric pressure step was 0.5 MPa, and the press pressure was 30 MPa. In addition, with respect to the heater element 18 thus obtained, the presence or absence of tungsten disilicide (WSi 2 ) generation, the presence or absence of interface pores (the pores at the interface between the insulating substrate and the heating resistor), the current durability, The bending strength was evaluated. The presence or absence of interface pores was evaluated by observation with a scanning electron microscope (SEM) in a field of view with a magnification of 3000 times. The results are shown in Table 3.

Figure 2012104385
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次に、抵抗体成形部22aの最小径部分に対する最大径部分の断面積比を変更して実施例1と同様にしてヒータ素子18を製造した。なお、抵抗体成形部22aは、焼成により発熱抵抗体22としたときの最小径となる部分の断面積が1.0mmで一定になるようにし、最小径部分に対する最大径部分の断面積比が1〜6となるようにした。また、焼成温度は1800℃、雰囲気加圧工程における雰囲気圧力は0.5MPa、プレス圧力は35MPaとした。このようにして得られたヒータ素子18について、残留気孔(高圧雰囲気の侵入による気孔)の有無、抗折強度の評価を行った。なお、残留気孔の有無は、走査型電子顕微鏡(SEM)にて倍率3000倍の視野にて観察により評価した。結果を表4に示す。 Next, the heater element 18 was manufactured in the same manner as in Example 1 by changing the cross-sectional area ratio of the maximum diameter portion to the minimum diameter portion of the resistor molding portion 22a. The resistor molding portion 22a is such that the cross-sectional area of the minimum diameter portion is constant at 1.0 mm 2 when the heating resistor 22 is formed by firing, and the cross-sectional area ratio of the maximum diameter portion to the minimum diameter portion is constant. 1-6. The firing temperature was 1800 ° C., the atmospheric pressure in the atmospheric pressure step was 0.5 MPa, and the press pressure was 35 MPa. The heater element 18 thus obtained was evaluated for the presence or absence of residual pores (pores due to penetration of a high-pressure atmosphere) and the bending strength. The presence or absence of residual pores was evaluated by observation with a scanning electron microscope (SEM) in a field of view with a magnification of 3000 times. The results are shown in Table 4.

また、表5に、素子成形体18aを1550〜1700℃まで焼成したときの表面の開気孔率、およびこのような開気孔率を有するものに雰囲気圧力を0.5MPaとする雰囲気加圧を行ったときの残留気孔の有無を示す。また、図6には、表5に示される温度と開気孔率との関係を図にして示す。   Table 5 shows the surface open porosity when the element molded body 18a is fired to 1550 to 1700 ° C., and atmospheric pressurization with an atmospheric pressure of 0.5 MPa on those having such open porosity. Indicates the presence or absence of residual pores. FIG. 6 shows the relationship between the temperature shown in Table 5 and the open porosity.

なお、抵抗体成形部22aは、発熱抵抗体22としたときの最小径となる部分の断面積が1.0mmになるようにし、最小径部分に対する最大径部分の断面積比が2.4倍となるようにした。また、開気孔率は、焼成体の乾燥重量をW、水中での重量をW、表面の過剰水分を湿布で拭い払ったときの空中重量をWとしたとき下記式により算出した。
開気孔率(%)=[(W−W)/(W−W)]×100
The resistor molding portion 22a has a minimum sectional area of 1.0 mm 2 when the heating resistor 22 is formed, and the sectional area ratio of the maximum diameter portion to the minimum diameter portion is 2.4. Doubled. Further, the open porosity was calculated by the following formula when the dry weight of the fired body was W 1 , the weight in water was W 2 , and the air weight when the excess moisture on the surface was wiped off with a compress was W 3 .
Open porosity (%) = [(W 3 −W 1 ) / (W 3 −W 2 )] × 100

Figure 2012104385
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Figure 2012104385
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表4、5、図6に示されるように、温度が1600℃以上になると開気孔率が消滅し、このような温度で雰囲気加圧を開始することで、発熱抵抗体22の断面積比が大きい場合にも残留気孔の発生を効果的に抑制できることがわかる。また、表3に示されるように、雰囲気加圧の開始温度を1500℃以上とすることで界面部気孔の発生を抑制することができ、また1700℃以下とすることで二珪化タングステンの生成を抑制することができる。以上の結果から、雰囲気加圧(雰囲気加圧工程)の開始温度は1600〜1700℃が好ましいことがわかる。   As shown in Tables 4 and 5 and FIG. 6, the open porosity disappears when the temperature is 1600 ° C. or higher, and by starting the atmosphere pressurization at such a temperature, the sectional area ratio of the heating resistor 22 is reduced. It can be seen that the generation of residual pores can be effectively suppressed even when the size is large. In addition, as shown in Table 3, the generation of interface pores can be suppressed by setting the atmospheric pressure start temperature to 1500 ° C. or higher, and the formation of tungsten disilicide by reducing the temperature to 1700 ° C. or lower. Can be suppressed. From the above results, it can be seen that the starting temperature of the atmosphere pressurization (atmosphere pressurization step) is preferably 1600 to 1700 ° C.

10…グロープラグ
11…セラミックヒータ
12…主体金具
19…金属外筒
18…セラミックヒータ素子(18a…素子成形体)
21…絶縁基体(21a…基体成形部)
22…発熱抵抗体(22a…抵抗体成形部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Glow plug 11 ... Ceramic heater 12 ... Main metal fitting 19 ... Metal outer cylinder 18 ... Ceramic heater element (18a ... Element molded object)
21 ... Insulating base (21a ... Base molding part)
22 ... exothermic resistor (22a ... resistor molding part)

Claims (4)

主として窒化珪素粉末からなる基体成形部と、前記基体成形部に埋設され、主として窒化珪素粉末と炭化タングステン粉末とからなる抵抗体成形部とを有する素子成形体をホットプレス法により焼成してセラミックヒータ素子とするセラミックヒータ素子の製造方法であって、
前記焼成は、窒素雰囲気中、プレス圧力を20〜40MPa、雰囲気圧力を0.2〜1.0MPaとする雰囲気加圧工程を有することを特徴とするセラミックヒータ素子の製造方法。
An element molded body having a base molding portion mainly made of silicon nitride powder and a resistor molding portion embedded in the base molding portion and mainly made of silicon nitride powder and tungsten carbide powder is fired by a hot press method to be a ceramic heater. A method of manufacturing a ceramic heater element as an element,
The method for producing a ceramic heater element, wherein the firing includes an atmosphere pressurizing step in which a pressing pressure is 20 to 40 MPa and an atmospheric pressure is 0.2 to 1.0 MPa in a nitrogen atmosphere.
前記セラミックヒータ素子は、前記基体成形部が焼成されてなる絶縁基体と、前記抵抗体成形部が焼成されてなる発熱抵抗体とを有するものであって、前記発熱抵抗体は、最小径となる部分の断面積が0.25mm以上、かつ最大径となる部分の断面積が前記最小径となる部分の断面積の2倍以上であることを特徴とする請求項1記載のセラミックヒータ素子の製造方法。 The ceramic heater element has an insulating base formed by firing the base molding portion and a heating resistor formed by firing the resistor molding portion, and the heating resistor has a minimum diameter. 2. The ceramic heater element according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the portion is 0.25 mm 2 or more and the cross-sectional area of the portion having the maximum diameter is twice or more the cross-sectional area of the portion having the minimum diameter. Production method. 前記雰囲気加圧工程は、1600〜1700℃で開始することを特徴とする請求項1または2記載のセラミックヒータ素子の製造方法。   The method for manufacturing a ceramic heater element according to claim 1 or 2, wherein the atmosphere pressurizing step is started at 1600 to 1700 ° C. 請求項1乃至3のいずれか1項記載のセラミックヒータ素子の製造方法によりグロープラグに用いられるセラミックヒータ素子を製造する工程と、
前記セラミックヒータ素子をセラミックヒータの構成部材である金属外筒に挿入するとともに、前記金属外筒を前記グロープラグの構成部材である筒状の主体金具の筒孔先端に挿入してグロープラグとする工程と
を有することを特徴とするグロープラグの製造方法。
A step of manufacturing a ceramic heater element used for a glow plug by the method of manufacturing a ceramic heater element according to claim 1;
The ceramic heater element is inserted into a metal outer cylinder that is a constituent member of the ceramic heater, and the metal outer cylinder is inserted into a cylindrical hole end of a cylindrical metal shell that is a constituent member of the glow plug to form a glow plug. And a process for producing a glow plug.
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